Legătura de carbon cu doar un electron observată pentru prima dată: descoperire revoluționară pentru manuale

Legătura de carbon cu doar un electron observată pentru prima dată: descoperire revoluționară pentru manuale

Credind de peste un secol chimist, că legăturile atomice puternice, numite legături covalente, se formează atunci când atomii împărtășesc una sau mai multe perechi de electroni. Acum, cercetătorii au făcut primele observații ale legăturilor covalente cu un singur electron între doi atomi de carbon.

Acest comportament neobișnuit de legătură a fost observat între câțiva alți atomi, dar oamenii de știință sunt deosebit de încântați să-l vadă cu carbon. Carbonul este elementul fundamental al vieții pe Pământ și o componentă importantă a substanțelor chimice industriale, inclusiv produse farmaceutice, materiale plastice, zaharuri și proteine. Descoperirea a fost publicată pe 25 septembrie în jurnalNaturăpublicat 1.

„Legătura covalentă este unul dintre cele mai importante concepte din chimie, iar descoperirea de noi tipuri de legături chimice are un mare potențial de a extinde domeniile largi ale științei chimice”, spune chimistul de la Universitatea din Tokyo, Takuya Shimajiri, care a făcut parte din echipa de cercetare a legăturilor de carbon.

Cele mai multe legături chimice din molecule constau dintr-o singură pereche de electroni împărțiți între atomi. Acestea se numesc legături simple covalente. În legăturile deosebit de puternice, atomii pot împărtăși două perechi de electroni într-o legătură dublă sau trei perechi într-o legătură triplă. Dar chimiștii știu că atomii interacționează în multe alte moduri și speră să înțeleagă mai bine ce este o legătură chimică studiind tipuri de legături neobișnuite la limita posibilităților.

sugestia lui Pauling

Conceptul de legături covalente cu un singur electron datează din 1931, când chimistul Linus Pauling l-a propus. Dar la acea vreme, chimiștii nu aveau instrumentele necesare pentru a observa astfel de legături, spune Marc-Etienne Moret, chimist la Universitatea Utrecht din Olanda. Chiar și cu tehnici analitice moderne, aceste legături sunt greu de observat. „Situația în care un singur electron formează o legătură este foarte instabilă”, explică Moret. „Acest lucru înseamnă că legătura se poate rupe cu ușurință și are o tendință puternică fie de a pierde un electron, fie de a-l capta pentru a restabili un număr par de electroni.”

În 1998, oamenii de știință au observat 2 o legătură cu un singur electron între doi atomi de fosfor; Moret făcea parte dintr-un grup care 3 În 2013 a fost creată o legătură între cupru și bor. Chimiștii au teoretizat că aceste legături neobișnuite ar putea apărea în structurile intermediare de scurtă durată care apar în timpul reacțiilor chimice. Dar pentru a observa aceste legături capricioase, chimiștii trebuie să stabilizeze un compus care le conține. Un compus stabil care conține o legătură C-C cu un singur electron a eludat anterior chimiștilor.

Shimajiri spune că cheia observării legăturii de carbon cu un singur electron a fost proiectarea atentă a unei molecule care să o stabilizeze. Echipa de cercetare, care a inclus chimistul Yusuke Ishigaki de la Universitatea Hokkaido, a creat o moleculă care furnizează o „înveliș” stabilă de inele de carbon legate care ține împreună legătura carbon-carbon în centrul său. Această legătură centrală este întinsă la o lungime relativ mare pentru o legătură C-C, făcând-o predispusă să piardă un electron într-o reacție de oxidare și să creeze legătura evazivă cu un singur electron.

Legare stabilă

Pentru a captura acest compus într-o formă stabilă, observabilă, l-au cristalizat. Când oxidarea este efectuată în prezența iodului, reacția produce o sare violet, învelișul stabil al moleculei ținând împreună legătura C-C cu un singur electron în interior. Apoi au folosit diverse tehnici analitice pentru a caracteriza molecula și legătura. Shimajiri observă că conexiunea este extrem de stabilă în condiții de zi cu zi.

„Implicarea legăturilor cu un singur electron a fost propusă în mai multe reacții chimice, dar până acum acestea au rămas ipotetice”, spune Shimajiri. Crearea de compuși stabili care conțin aceste legături ar putea ajuta cercetătorii să înțeleagă mai bine ce se întâmplă în timpul acestor reacții.

Guy Bertrand, chimist la Universitatea din California din Santa Barbara, a făcut parte din echipa care a creat legătura cu un singur electron în fosfor. El spune că este semnificativ să vezi asta cu carbon. „De fiecare dată când faci ceva cu carbon, acesta are un impact mai mare decât orice alt element”, explică el. Carbonul este elementul chimiei organice. Dar el spune că nu este atât de ușor de spus dacă această lucrare va avea aplicații. „Este o curiozitate”, spune el. „Dar va fi în manuale.”

Shimajiri speră că descrierea legăturii de carbon cu un singur electron îi va ajuta pe chimiști să înțeleagă mai bine natura fundamentală a legăturilor chimice. „Vrem să clarificăm ce este o legătură covalentă – mai precis, în ce moment o legătură se califică drept covalentă și în ce moment nu.”

1. Shimajiri, T. şi colab. Natura https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1 (2024).

   
   Google Academic

2. Canac, Y. şi colab. Science 279, 2080-2082 (1998).

   
   Google Academic

3. Moret, M.-E. et al. Gem. Chim. Soc. 135, 3792–3795 (2013).

   
   Google Academic

Descărcați referințe